2025年機(jī)器人大賽第三次選拔試題(帶答案)一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共30分）1.在ROS2中，下列哪一條命令可以查看當(dāng)前活躍節(jié)點(diǎn)的列表？A.ros2nodelistB.ros2topiclistC.ros2servicelistD.ros2paramlist答案：A2.某六自由度機(jī)械臂采用D-H法建模，若第3關(guān)節(jié)為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)且其軸線與第2關(guān)節(jié)軸線垂直相交，則θ?的零位定義為：A.第3連桿與第2連桿共線且指向世界坐標(biāo)系X軸正向B.第3連桿與第2連桿垂直且指向世界坐標(biāo)系Z軸正向C.第3連桿與第2連桿共線且指向基坐標(biāo)系Y軸正向D.第3連桿與第2連桿垂直且指向基坐標(biāo)系X軸正向答案：A3.在強(qiáng)化學(xué)習(xí)PPO算法中，Clip函數(shù)的截?cái)喾秶ǔＴO(shè)為：A.[0.8,1.2]B.[0.9,1.1]C.[0.7,1.3]D.[0.85,1.15]答案：A4.某差分驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在地面做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，若左輪速度為0.3m/s，右輪速度為0.5m/s，輪距0.4m，則機(jī)器人角速度為：A.0.25rad/sB.0.5rad/sC.0.75rad/sD.1.0rad/s答案：B5.在PX4飛控中，MAVLink消息包用于設(shè)置Offboard模式的是：A.SET_MODEB.COMMAND_LONGC.SET_POSITION_TARGET_LOCAL_NEDD.HEARTBEAT答案：B6.下列哪種傳感器最適合用于室外強(qiáng)光環(huán)境下檢測2m外透明玻璃障礙？A.單目RGB相機(jī)B.2D激光雷達(dá)C.結(jié)構(gòu)光深度相機(jī)D.77GHz毫米波雷達(dá)答案：D7.在MoveIt中，用于碰撞檢測的默認(rèn)插件是：A.FCLB.PQPC.BulletD.ODE答案：A8.某機(jī)器人系統(tǒng)采用EtherCAT總線，周期為1ms，若PDO映射中一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)占用8Byte輸入+8Byte輸出，則理論上單幀最大可帶節(jié)點(diǎn)數(shù)為：A.64B.90C.128D.256答案：B9.在SLAM中，若使用LOAM算法，下列哪一項(xiàng)不是scan-to-map匹配的直接輸入？A.邊緣點(diǎn)B.平面點(diǎn)C.強(qiáng)度值D.曲率答案：C10.當(dāng)使用STM32H743作為機(jī)器人主控時(shí)，若ADC采樣頻率設(shè)為1MHz，分辨率12bit，DMA雙緩沖循環(huán)模式，每次傳輸半字（16bit），則每1ms產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為：A.1kBB.2kBC.4kBD.8kB答案：B11.在Gazebo仿真中，若模型SDF文件內(nèi)元素被重復(fù)命名，仿真器會(huì)：A.自動(dòng)重命名B.拋出解析錯(cuò)誤并終止C.忽略后出現(xiàn)的元素D.隨機(jī)保留一個(gè)答案：B12.某機(jī)器人電池標(biāo)稱24V/20Ah，最大持續(xù)放電倍率5C，則理論最大持續(xù)電流為：A.20AB.50AC.100AD.200A答案：C13.在OpenCV中，函數(shù)cv::solvePnP默認(rèn)使用的迭代算法是：A.Levenberg-MarquardtB.Gauss-NewtonC.DoglegD.TrustRegion答案：A14.若一階低通濾波器截止頻率為10Hz，采樣周期5ms，則離散化后的濾波系數(shù)α約為：A.0.15B.0.24C.0.30D.0.45答案：B15.在機(jī)器人操作系統(tǒng)安全認(rèn)證ISO10218-1中，緊急停止類別屬于：A.Cat.1B.Cat.2C.Cat.3D.Cat.4答案：C二、不定項(xiàng)選擇題（每題3分，共30分，多選少選均不得分）16.下列哪些措施可降低直流無刷電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)？A.提前角優(yōu)化B.正弦波驅(qū)動(dòng)C.提高PWM載頻D.增大減速比答案：ABC17.關(guān)于RGB-D相機(jī)內(nèi)參標(biāo)定，下列說法正確的是：A.紅外相機(jī)與深度圖必須同步標(biāo)定B.深度尺度因子與溫度相關(guān)C.彩色相機(jī)與深度相機(jī)外參可離線標(biāo)定D.深度圖畸變可忽略答案：ABC18.在ROS2中，下列哪些QoS策略可用于可靠傳輸？A.RELIABLEB.BEST_EFFORTC.KEEP_ALLD.TRANSIENT_LOCAL答案：ACD19.下列哪些算法可用于多機(jī)器人任務(wù)分配？A.CBBAB.HungarianC.AD.Murty’sk-best答案：ABD20.關(guān)于IMU誤差模型，下列哪些項(xiàng)屬于隨機(jī)誤差？A.零偏不穩(wěn)定性B.比例因子非線性C.溫度漂移D.高斯白噪聲答案：AD21.在PX4中，下列哪些模塊參與EKF2狀態(tài)估計(jì)？A.local_position_estimatorB.attitude_estimator_qC.ecl/EKFD.mavlink_receiver答案：C22.下列哪些總線支持時(shí)間觸發(fā)機(jī)制？A.CANFDB.EtherCATC.FlexRayD.RS-485答案：BC23.在深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測中，下列哪些方法屬于單階段？A.YOLOv8B.SSDC.RetinaNetD.FasterR-CNN答案：ABC24.下列哪些技術(shù)可用于降低機(jī)械臂奇異點(diǎn)影響？A.阻尼最小二乘B.梯度投影法C.冗余自由度優(yōu)化D.提高伺服增益答案：ABC25.關(guān)于鋰電池BMS均衡，下列說法正確的是：A.被動(dòng)均衡能量耗散為熱B.主動(dòng)均衡效率高于90%C.均衡電流通常小于1AD.均衡只在充電時(shí)進(jìn)行答案：ABC三、計(jì)算題（共40分）26.（10分）某SCARA機(jī)器人第一、二關(guān)節(jié)為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，連桿長l?=300mm，l?=250mm。初始姿態(tài)θ?=0°，θ?=90°。現(xiàn)要求末端沿X軸正向以速度v=100mm/s做直線運(yùn)動(dòng)，持續(xù)2s。求：(1)第1s時(shí)關(guān)節(jié)角速度θ??、θ??；(2)若關(guān)節(jié)2最大角速度限幅為0.5rad/s，判斷是否超限，若超限給出縮放系數(shù)k。解：(1)末端軌跡x(t)=100t，y(t)=0。雅可比矩陣J=[?x/?θ??x/?θ?;?y/?θ??y/?θ?]x=l?c?+l?c??，y=l?s?+l?s??J=[-l?s?-l?s??-l?s??;l?c?+l?c??l?c??]t=1s時(shí)，x=100，y=0，解得θ?≈18.19°，θ?≈-53.13°代入J得J≈[-0.25-0.20;0.520.15]mv=[0.1;0]m/sθ?=J?1v≈[-0.29;0.76]rad/s即θ??≈-0.29rad/s，θ??≈0.76rad/s(2)|θ??|=0.76>0.5，超限k=0.5/0.76≈0.66答案：(1)θ??=-0.29rad/s，θ??=0.76rad/s(2)超限，k=0.6627.（10分）某AGV采用兩輪差分驅(qū)動(dòng)，輪子半徑r=0.1m，編碼器線數(shù)2048P/R，減速比1:20，采樣周期T=10ms。在一次直線加速測試中，左輪累計(jì)脈沖增量ΔN_L=410，右輪ΔN_R=390。求：(1)平均線速度v；(2)車體角速度ω；(3)若車輪打滑導(dǎo)致左右輪實(shí)際半徑相差1%，重新計(jì)算v與ω。解：(1)每脈沖對(duì)應(yīng)弧長Δs=2πr/(2048×20)=1.534×10??mv_L=ΔN_LΔs/T=0.629m/sv_R=ΔN_RΔs/T=0.598m/sv=(v_L+v_R)/2=0.613m/s(2)輪距B=0.4mω=(v_R-v_L)/B=-0.077rad/s(3)設(shè)r_L=1.01r，r_R=0.99r真實(shí)v_L'=1.01v_L=0.635m/sv_R'=0.99v_R=0.592m/sv'=0.613m/s（不變）ω'=(0.592-0.635)/0.4=-0.108rad/s答案：(1)0.613m/s(2)-0.077rad/s(3)v=0.613m/s，ω=-0.108rad/s28.（10分）某四旋翼質(zhì)量m=2kg，旋翼拉力系數(shù)k_T=1.2×10??N/(rpm)2，阻力系數(shù)k_M=2.5×10??N·m/(rpm)2，臂長l=0.25m。若要求懸停時(shí)總拉力等于重力，且其中一電機(jī)轉(zhuǎn)速下降10%，求：(1)懸停轉(zhuǎn)速n?；(2)剩余三電機(jī)需增加多少百分比轉(zhuǎn)速才能保持高度；(3)此時(shí)產(chǎn)生的偏航力矩M_z。解：(1)4k_Tn?2=mgn?=√(mg/4k_T)=√(19.6/4.8×10??)=639rpm(2)設(shè)增加x%，則3k_T[n?(1+x)]2+k_T(0.9n?)2=mg解得x≈3.45%(3)偏航力矩由反扭矩差產(chǎn)生ΔM=k_M[(1+x)2n?2-(0.9n?)2]×3-k_M(0.9n?)2=3k_Mn?2[(1.0345)2-0.81]-k_Mn?2×0.81=3k_Mn?2(0.26)-0.81k_Mn?2=-0.03k_Mn?2=-3.9×10??N·m答案：(1)639rpm(2)3.45%(3)-3.9×10??N·m（順時(shí)針）29.（10分）某機(jī)器人視覺系統(tǒng)采用單目相機(jī)，焦距f=800pixel，主點(diǎn)(u?,v?)=(640,360)。檢測到AprilTag角點(diǎn)圖像坐標(biāo)為(580,340)，已知標(biāo)簽邊長0.16m，世界坐標(biāo)系中角點(diǎn)坐標(biāo)(0,0,0)。機(jī)器人通過IMU測得相機(jī)俯仰角θ=10°，無橫滾偏航。求：(1)相機(jī)高度h；(2)若機(jī)器人前進(jìn)速度v_x=0.5m/s，求該角點(diǎn)光流v_y（pixel/s）。解：(1)設(shè)相機(jī)坐標(biāo)系X_cforward,Y_cleft,Z_cup世界點(diǎn)P_w=(0,0,0)，相機(jī)位姿R=Rx(-10°)，t=(0,0,h)成像方程：u=f·X_c/Z_c+u?v=f·Y_c/Z_c+v?由R?1P_w+t得P_c=(0,0,-h)故u=640，v=360實(shí)測(580,340)對(duì)應(yīng)實(shí)際世界點(diǎn)需反投影設(shè)地面z_w=-h，則X_c=(u-u?)h/f=(-60)h/800=-0.075hY_c=(v-v?)h/f=(-20)h/800=-0.025h世界坐標(biāo)P_w=R?1(P_c-t)解得h=1.96m(2)光流v_y=f·v_x·sinθ/h=800×0.5×0.174/1.96≈35.5pixel/s答案：(1)1.96m(2)35.5pixel/s四、設(shè)計(jì)題（共50分）30.（25分）場景：地下管廊巡檢機(jī)器人，長1.2m，寬0.6m，高0.4m，重80kg，最大速度1.5m/s，需通過最小寬度0.8m的S形彎道，坡度10°，路面為混凝土，可能存在5mm高臺(tái)階。環(huán)境無GPS，光照<10lx，需檢測裂縫寬度≥0.2mm，定位誤差<5cm，續(xù)航≥4h。任務(wù)：(1)給出移動(dòng)底盤方案（輪式/履帶/足式）并說明理由；(2)設(shè)計(jì)定位與建圖方案，說明傳感器選型、算法框架及回環(huán)策略；(3)給出裂縫檢測視覺方案，包括光源、相機(jī)、鏡頭、算法流程；(4)計(jì)算電池容量并給出BMS關(guān)鍵參數(shù)；(5)設(shè)計(jì)緊急制動(dòng)系統(tǒng)，滿足ISO13849-1PLd。答案：(1)采用6輪鉸接履帶方案：-履帶接地比壓小，可越障5mm，爬坡10°不打滑；-鉸接式擺臂，最小轉(zhuǎn)彎半徑0.45m，可通過0.8m彎道；-橡膠履帶內(nèi)嵌凱夫拉，噪音<60dB。(2)定位與建圖：傳感器：-2臺(tái)VelodyneVLP-16（前后傾斜15°）提供360°點(diǎn)云；-1組STIM300IMU，頻率400Hz，零偏0.3°/h；-2個(gè)輪速編碼器+1個(gè)履帶里程計(jì)；-1個(gè)UWB模塊（DecawaveDW3000）用于長走廊弱特征區(qū)輔助。算法：-前端：IMU預(yù)積分+激光雷達(dá)里程計(jì)（Fast-LIO2），關(guān)鍵幀每0.5m；-后端：因子圖優(yōu)化（GTSAM），加入U(xiǎn)WB距離因子；-回環(huán)：Scan-Context全局描述子，匹配閾值0.15，采用NNDR驗(yàn)證；-地圖：多層?xùn)鸥瘢?cm/5cm/10cm），動(dòng)態(tài)體素濾波。(3)裂縫檢測：光源：4條850nm紅外窄條光，45°傾斜，頻閃10kHz，占空比5%，峰值功率80W；相機(jī)：2臺(tái)SonyIMX264全局快門，分辨率2448×2048，像元3.45μm，鏡頭25mm，F(xiàn)4，工作距0.5m，視場120mm×100mm，像素分辨率≈0.05mm；算法：-圖像預(yù)處理：自適應(yīng)直方圖均衡+Retinex去反光；-裂縫增強(qiáng)：Frangi2D血管濾波，σ=1~3；-分割：Otsu+形態(tài)學(xué)細(xì)化；-寬度計(jì)算：亞像素邊緣提取，Zernike矩精度±0.02mm；-輸出：裂縫長度、寬度、角度，置信度>0.9時(shí)上傳。(4)電池計(jì)算：總功耗：-驅(qū)動(dòng)電機(jī)2×400W；-傳感器與計(jì)算平臺(tái)120W；-照明與通信80W；總計(jì)1000W。4h需能量4kWh。選用磷酸鐵鋰，單體3.2V/100Ah，成組24串1并，額定電壓76.8V，容量7.68kWh，放電倍率1.3C，重量48kg。BMS：-均衡電流200mA，主動(dòng)式；-過壓3.8V，欠壓2.5V；-溫度-20~60°C，NTC10kΩ；-絕緣檢測1MΩ，滿足IEC61558。(5)緊急制動(dòng)：-雙通道STO（SafeTorqueOff）驅(qū)動(dòng)器，Category3；-2個(gè)FSL安全PLC（PilzPNOZmulti2），交叉監(jiān)控；-急停按鈕雙回路，觸點(diǎn)強(qiáng)制斷開；-制動(dòng)器：失電型電磁制動(dòng)，制動(dòng)力矩120N·m，響應(yīng)時(shí)間<150ms；-安全距離計(jì)算：S=0.5×1.5×(0.15+0.15)+0.15=0.375m，滿足PLd。31.（25分）場景：果蔬采摘機(jī)器人，溫室壟寬0.6m，壟高0.35m，番茄成熟期果梗直徑3~5mm，果實(shí)間距≥8cm，光照變化大，需識(shí)別七種成熟度，采摘成功率≥95%，單果采摘周期≤6s，整機(jī)重量≤30kg，續(xù)航≥3h。任務(wù)：(1)設(shè)計(jì)移動(dòng)底盤與機(jī)械臂自由度配置；(2)給出視覺識(shí)別與定位方案，說明如何應(yīng)對(duì)光照變化；(3)設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器，說明夾剪一體化機(jī)構(gòu)與力控策略；(4)給出控制系統(tǒng)架構(gòu)，包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、通信總線、安全機(jī)制；(5)計(jì)算采摘效率并分析瓶頸，提出加速方案。答案：(1)底盤：4輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向，輪距0.5m，軸距0.4m，橡膠波紋輪胎，輪轂電機(jī)150W×4，可原地轉(zhuǎn)向；機(jī)械臂：5自由度，關(guān)節(jié)1立柱旋轉(zhuǎn)±180°，關(guān)節(jié)2、3俯仰-30°~90°，關(guān)節(jié)4腕擺±90°，關(guān)節(jié)5腕轉(zhuǎn)±270°，連桿碳纖維，總重6kg，展長0.9m，重復(fù)定位±0.5mm。(2)視覺方案：-深度相機(jī)：IntelRealSense